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SZ系列GPS说明

一、概述

随着电力系统自动化技术的发展，系统对时间统一的要求越来越迫切，对时间的同步精度也越来越高，我们研制的SZ系列GPS标准时间同步钟就是专门为电力系统的自动化提供高精度时间基准的时间同步设备。

该设备以美国导航星全球定位系统（GPS）为时间基准，时间同步精度1μs。

它选用美国专业生产厂家生产的GPS接收机部件进行二次开发研制而成。

它可以同时跟踪视场内的12颗GPS卫星，自动选择最佳星座进行定位、定时，输出与协调世界时UTC时间同步精度为1μs的秒（1PPS）、分（1PPM）、时（1PPH）定时脉冲和北京时间的钟面，还可实现工频量的测量，外部事件（SOE）产生的时刻记录，并按照一定格式经串行口分别输出日期、时间、周波钟、周波数、钟差、事件产生时刻和安全运行天数等信息，供电力系统需要标准时间尺度的各种自动化装置使用。

本设备采用单片机控制，软硬件结合的技术设计，充分利用GPS接收组件的潜力。

因此系统具有可靠性高、功能多、精度高、性价比好和操作方便等特点，完全可以满足电力系统时间同步要求。

它的使用推广，将大大促进和提高电力系统的事故分析，故障测距和继电保护等自动化技术的发展。

二、技术指标

1.接收频率：

1575.42MHz，可同时跟踪8～12颗GPS卫星。

2.天线射频灵敏度：

-166dbw，天线配带30米馈线。

3.捕获时间：

20秒～2分钟

4.1PPS输出

定时准确度：

1μs电平：

TTL电平

极性：

正脉冲脉宽：

约100ms

阻抗：

50Ω路数：

一路

前沿：

＜20ns

5.1PPM输出

定时准确度：

1μs电平：

TTL电平

极性：

正脉冲脉宽：

约1s

阻抗：

50Ω前沿：

＜20ns

6.1PPH输出

定时准确度：

1μs电平：

TTL电平

极性：

正脉冲脉宽：

约1s

阻抗：

50Ω前沿：

＜20ns

7.周波测量精度：

0.001周。

8.安全运行天数：

可人工预置或清除。

9.突发事件测量：

测量精度1μs，格式为XX年XX月XX时XX分XX秒XXX毫秒XXX微秒。

本机可存储三组突发事件时刻。

10.工频钟：

50Hz市电驱动运行的时钟，开机时与标准钟同步。

11.钟差：

标准钟减去工频钟的差值，同步时差值为零，精度20毫秒，钟差值的大小反映电网运行的质量。

12.经度、纬度：

电网同步钟所在的地理位置。

13.显示：

十四位LCD显示，显示内容包括周波数，日期，时间，安全运行天数，经度，纬度，工频钟面，钟差（标准钟—工频钟），突发事件时刻。

14.串行口1，2：

输出编码（年月日时分秒），工频钟时间（时分秒），钟差、

周波数和突发事件产生的时刻，每秒发一次。

15.串行口3，4：

输出时间，日期，周波数，安全天数信息，工频钟面和钟

差，可用于异地显示，每秒发一次。

16.电源：

输入电压范围：

交直流110V～220V±10%

最大输出功率：

30W

输入频率范围：

47～63Hz

工作温度范围：

-10℃～+55℃

三、通讯规约

SZ系列GPS既可以采用报文方式软件对时，又可以采用脉冲方式硬对时，其中报文方式的通讯规约有五种。

1.规约1

接口标准：

RS232或RS422/RS485

通讯速率：

4800b/s

数据位：

8位（ASCⅡ码）

起始位：

1位

停止位：

1位

校验位：

无

输出报文格式：

语句1：

BJT，YYMMDD，hhmmss，±XXXX.XX，HHFFPP，

ff.f1f1f1＜CR＞＜LF＞

语句2：

SOE，YYMMDD，hhmmss，UUUUUU＜CR＞＜LF＞

语句3：

ERR,YYMMDD，hhmmss＜CR＞＜LF＞

其中：

BJT表示北京时间，SOE表示外部事件，ERR表示信号丢失或接收卫星少于3颗。

YY为年，MM为月，DD为日，hh为时，mm为分，ss为秒，UUUUUU为微秒，±表示钟差的符号，XXXX.XX为钟差值（标准钟—工频钟），单位为秒，HHFFPP分别为工频钟的时，分，秒。

ff为周波数的两位整数部分，f1f1f1为周波数的三位小数部分。

（如年份需要四位表示，即YYYY，请说明）

*正常情况，只发语句1；

*有外部事件时，发语句2；

*当出现信号丢失或接收的卫星少于3颗时，发告警语句3。

语句3中的YYMMDD，hhmmss，表示失星时的年、月、日、时、分、秒。

串口输出年，月，日，时，分，秒，工频时间，钟差，周波数和外部事件产生的时刻（准确到微秒），每秒发送一次，起始位与标准秒的同步误差小于0.2ms。

2.规约2

接口标准：

RS232或RS422/RS485

通讯速率；4800b/s

数据位：

8位（数据为压缩BCD码，字符为ASCⅡ码）

起始位：

1位

停止位：

1位

校验位：

无

输出报文格式：

HHMMSSYYM1M1DDFFF1F1F2F2H2H2M2M2S2S2

其中:

为起始符，为工频标志，为周波标志，为结束标志，以上均为ASCⅡ码。

HHMMSSYYM1M1DD分别为北京时间：

时，分，秒，年，月，日；

FF为周波数的整数部分；

F1F1为周波数的小数点后第一、第二位小数；

F2F2为周波数的小数点后第三、第四位小数；

H2H2M2M2S2S2为周波钟的时分秒；

以上数据均为压缩BCD码。

3.规约3（IRIG—B）

数据格式：

秒、分、时，一年中的第n天，每秒发送一次，内含100个脉冲。

分直流码和交流码两种。

4.规约4（DCF77）

数据格式：

分、时、星期、月、年，以BCD方式编码，每分钟组装完成整个报文信息，以TTY或RS232方式输出。

5.规约5（T格式）

ASCII数字和序列（“00”秒时）：

序号

信息

时钟

报文

B年月日星期时分秒

注：

T=响应请求或信息字头

每个整分自动发送时间信息

接收到“T”后，每分钟循环发送时间信息

：

=隔离时间单位

接口方式：

RS232或RS422/RS485

通讯速率：

9600b/s

数据位：

8位

起始位：

1位

停止位：

1位

校验位：

无

四、SZ—1型

1.结构

采用台式塑料机箱，其尺寸为230（宽）mm×110mm（高）×275mm（深），颜色为灰色。

2.功能

具有一个8位LCD显示窗口，通过显示键切换，分别显示日期、时间，另有一个TTL电平的分、秒脉冲和一个无源空接点的分、秒脉冲输出，有两个RS232、两个RS485接口方式输出报文对时，报文可选择通讯规约中规约1、2、5三种规约的任何一种，出厂配置按规约1，即BJT格式，其格式中的周波数及钟差数为0。

3.面板说明：

面板布置示意图如图4.1所示。

图4.1

注：

（1）秒脉冲指示灯

（2）时间显示

（3）分脉冲指示灯

（4）显示按钮

4.背板说明

背板布置示意图如图4.2所示

图4.2

（1）天线输入插座

（2）1PPS（TTL电平）输出插座：

BNC高频插座

（3）1PPS（无源空接点）输出插座：

BNC高频插座（无内置电阻）

（4）1PPM（TTL电平）输出插座：

BNC高频插座

（5）1PPM（无源空接点）输出插座：

BNC高频插座（无内置电阻）

（6）RS232串口：

接口定义为2#脚信号发送，5#脚信号地

（7）RS485串口：

接口定义为2#脚TR+，4#脚TR-

（8）保险丝插座：

（1～2A）

（9）电源开关

（10）交直流电源插座

五、SZ—1B型

1.结构

标准的1u工业机箱，其尺寸为482.6mm（宽）×44.45mm（高）×240mm（深）

2.功能

有8个IRIG—B（DC）码串口输出和2个分脉冲或秒脉冲输出。

3.面板说明

面板布置示意图如图5.1所示

图5.1

（1）POWER：

电源指示灯，指示电源通断

（2）SYN：

卫星同步指示灯,刚开机时此灯闪烁一次，然后熄灭，表示机器初始化工作正常，正在搜索GPS卫星。

当同时跟踪上3颗以上GPS卫星后此灯每秒亮一次，此时后背板端子输出的信号为标准的GPS同步时间。

（3）1PPS：

秒脉冲输出指示灯，每秒亮一次

（4）1PPM：

分脉冲输出指示灯，每分亮一次

（5）1PPH：

时脉冲输出指示灯，每小时亮一次

（6）1PPS—O：

光隔输出秒脉冲指示灯，只有外回路接通时此灯才会每秒亮一次。

（7）电源开关

4.背板说明

其布置示意图如图5.2所示

（1）电源输入插座

（2）电源保险丝

（3）凤凰端子

（4）天线输入

图5.2

六、SZ—2型

1.结构

采用台式ABS塑料机箱，其尺寸为230mm（宽）×110mm（高）×275mm（深），颜色为灰色。

2.功能

具有6位LCD和8位LCD两个显示窗口，通过按键翻页显示所有信息，有4个RS232或RS422/485串行口输出报文对时，1个秒脉冲，1个分秒脉冲，1个时脉冲输出口，另外还有一个外部事件输入端口，可记录贮存3组外部事件。

串口输出可选择规约中任何一种。

出厂配置为：

串口1，2输出规约1，串口3，4口输出规约2。

3.面板说明

面板布置示意图如图6.1所示

（1）液晶显示屏1：

6位LCD显示器，显示测量的周波数。

格式为：

XX.XXXH，单位为赫兹。

不接周波线时，显示年、月、日。

格式为：

YY.MM.DD。

（2）1PPS指示灯：

接收机跟踪时，每秒闪烁一次。

图6.1

（3）液晶显示屏2：

8位LCD显示器，用于显示接收机的状态，时间，日期，安全运行天数，经度，纬度，工频钟时间，钟差及突发事件的时刻。

（4）位数键：

预置安全天数，选择预置天数。

（5）数字键：

预置安全天数，改变每位的数值，平时用于向上翻页显示

（2）中所述的内容。

（6）显示键：

用于向下翻页显示时间，日期，安全运行天数，经度，纬度，工频钟面以及突发事件产生的时刻。

4.背板说明

背板布置示意图如图6.2所示。

图6.2

（1）天线输入插座

（2）1PPS输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

（3）1PPM输出插座：

BNC高频插座，整分时输出一个约为1s宽的正脉冲，TTL电平输出，外壳为地。

（4）1PPH输出插座：

BNC高频插座，整点时输出一个约为1s宽的正脉冲，TTL电平输出，外壳为地。

（5）突发事件输入插座：

BNC高频插座，突发事件输入为通断信号，平时触点是断开的，突发事件产生时接通，外壳为地。

（6）串口1、2、3、4：

RS232接口，接线定义：

2#脚信号发送、5#脚信号地。

其中串口1、2，输出规约1，串口3、4输出规约2，如需输出RS422/485应提前说明，此时定义为：

2#脚TR+、4#脚TR-。

（7）周波测量输入插座：

要求直接输入电网上的交流220V电压，

用于测量周波数。

（8）交直流电源插座。

（9）保险丝插座（1～2A）

（10）电源开关

七、SZ-2A型

1.结构

标准的2U工业机箱，其尺寸为482.6（宽）mm×88.90mm（高）×240mm或320mm（深）。

无周波测量。

2.功能

除了增加两路秒脉冲无源空接点和两路分脉冲无源空接点输出外，其它与SZ-1型完全相同。

3.面板说明

面板布置示意图如图7.1所示

图7.1

（1）电源开关

（2）1PPS指示灯：

S1、S2、S3为3个经光隔输出的秒脉冲信号，ST为TTL电平输出的秒脉冲信号。

（3）时钟显示：

8位LCD显示器，通过显示键可分别显示时间、日期、经度、纬度。

（4）1PPM指示灯：

M1、M2、M3为3个经光隔输出的分脉冲信号，MT为TTL电平输出的分脉冲信号。

（5）显示按钮：

用于翻页显示时间、日期、经度、纬度。

4.背板说明

背板布置示意图如图7.2所示

图7.2

（1）天线输入

（2）RS232串口：

接口定义为2#脚信号发送，5#脚信号地

（3）RS485串口：

接口定义为2#脚TR+，4#脚TR–

（4）16针凤凰端子：

S1、S2、S3为无源空接点输出的秒脉冲，ST为TTL电平输出的秒脉冲，M1、M2、M3为无源空接点输出的分脉冲，MT为TTL电平输出的分脉冲。

其中“+”端为信号、负为地，或“+”为空接点正端，“-”为空接点负端，分、秒脉冲无源空接点接口回路中无保护电阻。

八、SZ-2U型

1.结构

标准2U工业机箱，组屏方便，其尺寸为482.6（宽）mm×88.90mm（高）×240mm或320mm（深），深度可由用户选定。

2.功能

除具备SZ-2型GPS所有功能外，增加了四个备用串口，用作串口扩展。

出厂配置为串口1，2输出规约1，串口3、4输出规约2，其它串口备用。

3.前面板说明类似SZ-2型

4.背板说明

①I型背板布置示意图如图8.1所示

（1）天线输入：

BNC高频插座

（3）1PPS输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

图8.1

（4）1PPM输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

（5）1PPH输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

（6）外部事件输入插座：

BNC高频插座

（7）串行接口：

RS232接口定义为2#脚信号发送、5#脚信号地。

RS422/485接口定义为2#脚TR+、4#脚TR-。

（8）IRIG-B（DC）：

备用口，接口定义2#脚信号发送、5#脚信号地。

（9）IRIG-B（AC）：

备用口，接口定义为2#脚、4#脚接信号

（10）保险丝插座（1～2A）

（11）周波测量输入插座：

直接输入电网上的交流220V电压。

（12）电源插座

②Ⅱ型背板示意图，如图8.2所示。

图8.2

（1）天线输入：

BNC高频插座

（3）1PPS输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

（4）1PPM输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

（5）1PPH输出插座：

BNC高频插座，TTL电平输出，外壳为地。

（6）外部事件输入插座：

BNC高频插座

（7）X1:

32针凤凰端子，输出16路串口信号。

若需输出32路串口信号，则为2排凤凰端子。

（8）周波测量输入插座。

（9）保险丝插座（1-2A）。

（10）电源插座。

九、SZ-4U型

1.结构

尺寸为482.6mm（宽）×177.8mm（高）×320mm（深）标准4U工业机箱

2.功能

SZ-4U是在SZ-2的基础上将1PPS、1PPM信号以16路为模扩展为16～96路同步信号输出，以无源空接点或24V有源接点方式输出。

也可将串口信号（报文对时）以16路为模扩展为16～96路信号输出。

3.面板说明

面板布置示意图如图9.1所示

图9.1

（1）LCD1、LCD2、1PPS指示灯同SZ-2型

（2）P1……P6：

脉冲扩展板，每块板可扩展16路1PPS或1PPM同步信号

分、秒脉冲可通过板上的位码开关选择，ON为分脉冲

OFF为秒脉冲

注：

a.同步脉冲为无源空接点输出时，将板上的跳线2和3短接。

b.同步脉冲为24V有源输出时，将板上跳线1和2短接，3和4短接。

（3）PW：

电源板，为扩展板提供工作电源

4.背板说明

背板布置示意图如图9.2所示

（1）PW：

电源输入

（2）P1、P2、P3、P4、P5、P6：

34芯扁平电缆插座，用于16～96路信号输出。

a.当脉冲输出为无源空接点时，34芯扁平电缆定义为1，3，5…31为空接点“+”端即＋24V电源输入端。

2，4，6…32为空接点“-”端，即同步脉冲信号输出端。

b.当脉冲输出为有源接点时，34芯扁平电缆定义为1，3，5…31为空接点“－”端即接地端,24V地。

2，4，6…32为空接点“＋”端，即同步脉冲信号输出端。

（3）其它：

同SZ-2型。

图9.2

十、SZ-5000GPS双机冗余系统

（一）、概述

随着我国电力事业的迅猛发展，对系统内的时间统一提出了更高的要求，以往的单台GPS（全球卫星定位系统）同步时钟虽具有高可靠性、高准确性，但一旦出现故障则整个对时系统无法运行。

针对这一问题，我们研发出了SZ系列GPS双机冗余系统，它时刻保持时间的同步输出，极大的增加了系统无故障运行时间，使整个系统更加安全可靠地运行。

（二）、系统框图

1、总框图

2、SZ-SW切换器（A/B）框图

（三）、工作原理

SZ-SW切换器A、B双机同时接收两个GPS同步时钟送来的信号，机内所带单片机对其串行数据进行接收检查，通过对比选择一台较好的GPS时钟信号经数据选择电路输出。

上电复位时，切换器A为主机，切换器B为备机：

1、当SZ-DUGPS1、SZ-DUGPS2及SZ-SW切换器A、SZ-SW切换器B机均正常工作时，则系统选择SZ-DUGPS1通过SZ-SWA机输出。

2、当SZ-DUGPS1或SZ-DUGPS2其中一台异常，SZ-SW切换器A、SZ-SW切换器B正常工作时，系统自动选择正常工作的那台GPS同步时钟通过当前的主切换器输出。

3、当SZ-DUGPS1、SZ-DUGPS2正常工作，SZ-SW切换器A或SZ-SW切换器B其中一台异常时，系统自动选择SZ-DUGPS1通过正常工作的那台切换器输出。

4、当SZ-DUGPS1或SZ-DUGPS2其中一台异常，SZ-SW切换器A或SZ-SW切换器B其中一台异常工作时，系统自动选择正常工作的GPS通过正常工作的切换器输出。

5、当SZ-SW切换器A和SZ-SW切换器B均异常工作时，无输出。

6、当GPS1和GPS2均异常但有时钟信号输出，SZ-SW切换器A和SZ-SW切换器B又有一个正常工作时，系统仍有时钟信号输出。

7、每隔24小时（中午12:

00）系统自动检测，切换器A、B轮流工作。

（四）、SZ-SW切换器A/B的组成

SZ-SW切换器A/B由主控板、后背板和显示板组成。

1、A/B主控板

CZ1为GPS1的输入插座

CZ4为GPS切换输出插座

CZ2为GPS2的输入插座

CZ5为5V电源插座

CZ3为双机通讯的输入输出（RS232电平）插座

CZ6为显示输出插座

2、显示板

显示板上有如下指示灯（LED），它们的含义分别为：

电源告警主机备机GPS1正常GPS1异常GPS2正常GPS2异常

1电源灯——指示控制板上的5V电源。

2告警灯——指示双机接口电路是否正常以及两个GPS是否都故障。

3主机——控制板上跳线器U16断开为主机，A、B机中一台应断开，另一台应闭合。

4备机——跳线器闭合为备机。

5GPS1正常——GPS1工作正常。

6GPS1异常——GPS1工作异常。

7GPS2正常——GPS2工作正常。

8GPS2异常——GPS2工作异常。

3、SZ-SW切换器A/B后背板端子接线

后背板为四排接线端子，如下图：

（1）各端子信号序号和名称

端口号

GPS1输入

（RS485标准）

GPS2输入

（RS485标准）

切换器输出

（RS485标准）

双机通讯

（RS232标准）

PPS+

ZPPS+

SKO1

PPS-

ZPPS-

SKO2

PPM+

ZPPM+

SKI1

PPM-

ZPPM-

SKI2

BJT+

ZBJT+

GND

BJT-

ZBJT-

GND

BCD+

ZBCD+

/BUSENO

BCD-

ZBCD-

BUSENO

BM+

ZBM+

/BUSENI

BM-

ZBM-

BUSENI

BS+

ZBS+

BS-

ZBS-

BK+

ZBK+

BK-

ZBK-

BJ+

ZBJ+

BJ-

ZBJ-

（2）端子接线

A、GPS输入接线为一一对应（注意信号线的极性）。

B、GPS输出接线：

切换器A和切换器B各有一个GPS同步时钟信号输出端子排，其1-16号端子两两短接后送往机柜端子排，如下图：

C、双机通讯端子接线

双机通讯端子上电平为RS232电平，双机连线如下图（对应的输出序号与输入序号相连，如：

A机SKO1连B机SKI1，A机SKO2连B机SKI2，A机SKI1连B机SKO1，A机的SKI2连B机的SKO2，GND连GND，A机的/BUSENO连B机的/BUSENI，A机的BUSENO连B机的BUSENI，A机的/BUSENI接B机的/BUSENO，A机的BUSENI接B机的BUSENI）

（五）、SZ系列GPS双机冗余系统的基本配置：

设备名称

说明

SZ-DU

GPS同步时钟

SZ-SW

双机切换器

SZ-232&485

串行接口扩展

SZ-FIB8（1/2）

8路光纤发送/接收器

SZ-IRIG-B

IRIG-B码扩展

SZ-TM2

同步脉冲扩展器

SZ系列GPS双机冗余系统结构：

SZ-SW切换器A/B的面板及接线在前面我们已作了详细介绍，下面分别介绍SZ系列GPS双机冗余系统其它组成部分的面板结构及接线方法。

1、SZ-DU（GPS同步时钟）

2、SZ-FIB81/2（8路光纤发送/接收器）

SZ-FIB81/2发送/接收器前面板图

SZ-FIB81/2发送/接收器后背板图

3、SZ-IRIG-B扩展箱

4、SZ-232&485扩展箱

（六）、系统连接方式

SZ-DUGPS冗余系统由SZ-DU双GPS时钟、SZ-SW双机切换器及SZ-TM2脉冲扩展、SZ-232&485串口报文扩展、SZ-IRIG-B交直流B码扩展等外围扩展设备组成，系统可提供本地及远程多种设备所需的各种信号，其连接线如下：

信号类别

本地连接方式

远程连接方式

1PPS

将SZ-SW切换器1PPS信号的+-端连接到SZ-TM2的1PPS信号的+-端

将SZ-FIB8光信号接收器1PPS信号的+-端连接到SZ-TM2的1PPS信号的+-端

1PPM

将SZ-SW切换器1PPM信号的+-端连接到SZ-TM2的1PPM信号的+-端

将SZ-FIB8光信号接收器1PPM信号的+

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